自增益環(huán)流熏蒸系統(tǒng)氣體濃度檢測終端

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院1,河南 鄭州 450002；河南職業(yè)技術(shù)學院機電系2,河南 鄭州 450046)

0 引言

糧倉殺蟲常用磷化鋁熏蒸，熏蒸中需檢測PH3氣體濃度。目前,PH3氣體濃度檢測方式主要是倉外抽氣泵定時抽氣體檢測。受采集時間及位置所限，該方式不能準確反映糧倉內(nèi)不同點位的實時PH3濃度值。而大多糧倉采用經(jīng)驗公式控制投藥量，控制不夠精準。此外，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品傳感器長期暴露在被測氣體環(huán)境中，壽命較短，更換成本很高，少有可按需設(shè)定指標、自動檢測濃度和自動控制濃度的設(shè)備[1-2]。

本項目的檢測儀在投藥裝置開啟后，可根據(jù)需求檢測熏蒸后任意時間點和位置的PH3和O2濃度，并根據(jù)自建藥量庫科學控制投藥量；同時，采用自動隔離裝置按需開啟采集終端，可延長傳感器壽命。該測試儀配合現(xiàn)有投藥裝置可節(jié)省用藥量，延長傳感器壽命，提高安全系數(shù)，大大降低生產(chǎn)成本及人工維護費用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該檢測儀主要由氣體隔離模塊、自增益濃度檢測終端、微控制器、上位機通信模塊、特殊外殼和傳感器等組成。

圖1 測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隔離模塊采用微型充氣泵(可根據(jù)現(xiàn)場條件取舍)、微型電磁閥配合微控制器，合理控制吸氣及關(guān)閉狀態(tài)，并結(jié)合密封技術(shù)有效隔離傳感器與被測氣體環(huán)境，快速檢測的同時延長了傳感器壽命。濃度檢測終端采用微電流采集技術(shù)采集傳感器輸出的有效電流信號，并送入微控制器進行數(shù)據(jù)處理。同時，根據(jù)采集到的氣體濃度值，建立科學的投藥量濃度數(shù)據(jù)庫，為上位機提供科學的投藥數(shù)據(jù)及人工維護參考數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動科學投藥。針對測試及安裝使用環(huán)境特殊性，測試儀外殼開模定制，滿足耐腐蝕性、密封性、實用性等多種需求。

1.1 氣體隔離模塊

傳統(tǒng)的環(huán)流熏蒸系統(tǒng)通常采用實時在線采集，這使得傳感器長期處于PH3氣體環(huán)境中，通常一年就需更換2次，成本較高。為延長傳感器壽命，設(shè)計了氣體隔離模塊，如圖2所示。

圖2 氣體隔離模塊

采用微型氣泵抽吸PH3，響應(yīng)時間較短。當現(xiàn)場安裝不方便時可不用氣泵，延長采集時間即可。24 V微型電磁閥與微控制器之間采用光耦開關(guān)隔離，以提高抗干擾性。當需要采集氣體數(shù)據(jù)時，由微控制器發(fā)出指令控制吸氣及關(guān)閉狀態(tài)，并結(jié)合密封技術(shù)，有效隔離傳感器與被測氣體環(huán)境。

1.2 氣體傳感器

為了提高采集精度并應(yīng)對投藥過量造成濃度過大影響傳感器有效壽命，PH3氣體傳感器采用瑞典MEMBRAPOR公司的PH3/C-2000。經(jīng)試驗測試，若實際使用環(huán)境濃度始終較低，可選擇加恒電位電路進一步增大其輸出電流。本測試儀實際使用時主要工作在100～600×10-6環(huán)境下，工作電極電流達到微安級，因此未接恒電位電路到對電極和參比電極處。O2傳感器采用德國ITG公司的I-06，輸出為毫伏級電壓信號，測量范圍為0～100%，分級三級精度，最小±0.1%。

1.3 自增益濃度檢測模塊

實際環(huán)境中的PH3氣體濃度變化范圍較大：冬季未加藥時低至0～5×10-6，春季加藥后可升至100～1 500×10-6。因此，考慮傳感器輸出值的范圍約為0～180 μA，分辨力為100 nA，采用如圖3所示的I/V轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。

圖3 I/V轉(zhuǎn)換電路

采樣電阻采用高精度的金屬膜電阻。由于輸入電流值變化范圍較大，該電阻阻值不宜過大，此處選用10 kΩ。運放采用OPA128，其典型Ib=75 fA、Uos=500 μV。C1為反饋電容，用于抵消輸入電容的影響，提高響應(yīng)時間；同時，與反饋電阻R3一起提供一定的時間常數(shù)。

測試發(fā)現(xiàn)，接放大單元后輸出值不穩(wěn)定，故在輸出端加一級跟隨器。同時，使用TLC2264的一組運放，其典型Ib=1 pA、Uos=300 μV。經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路后得到的電壓信號范圍約為0～1.8 V，分辨力為1 mV。為此，設(shè)計了自動增益放大單元，如圖4所示。

圖4 自動增益放大電路

采用CD4052作為模擬開關(guān)，地址端接至微控制器I/O口，以控制自動增益放大電路的反饋電阻通道，實現(xiàn)增益值根據(jù)采樣的電壓數(shù)值自動切換。R6、R9、R10、R14為金屬膜反饋電阻，R5為保護電阻，防止輸入過壓而導(dǎo)致運放損壞。自動增益放大電路還結(jié)合了TLC2264的一組運放。

根據(jù)輸入電壓值，增益值暫定4個檔位:①0～240 mV，增益×10；②241～700 mV，增益×3.3；③701～1 100 mV，增益×2.2；④1.1～1.8 V，增益×1。

實測結(jié)果表明，自動增益放大電路的檔位自動切換效果完全符合需求。由于測試環(huán)境濃度約為0～1 000×10-6，檔位①～③亦可滿足精度要求，檔位④未啟用。為了進一步減小輸出信號波動，利用TLC2264的兩組運放構(gòu)成跟隨器和反向器，保證最終進入控制器A/D口的信號符合要求。對于環(huán)境濃度范圍寬、精度要求高的場所，可考慮在此基礎(chǔ)上改變或增加增益分配通道、配置高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊等進行改進。

為保證有效微弱信號的準確采集，接口部位采用優(yōu)質(zhì)BNC 插座，絕緣部分是特富龍。BNC 插座的外皮強制在地電位，盡量減小輸入端漏電[3-4]。O2傳感器輸出電壓變化范圍不大，直接放大50倍后送入A/D口即可。

1.4 主控制器及通信模塊

主控制器部分采用Atmaga16單片機，它具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、功耗低等特點。主控制器及通信模塊電路圖如圖5所示。

圖5 主控制器及通信模塊電路

傳感器信號經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后送至Atmaga16的A/D口PA0和PA2，其中PA0主要用于預(yù)留測試用，PA2口的輸入數(shù)據(jù)為實際使用端口。PB3和PB4控制增益單元的放大比例，即根據(jù)PA2口采集到的數(shù)據(jù)自動切換4個檔位中的最優(yōu)值。PB2控制工作指示燈，對系統(tǒng)故障、通信狀態(tài)提供相應(yīng)指示。為保證采集精度，根據(jù)A/D口采集到的電壓值，先采用平均值及最小二乘法算法優(yōu)化數(shù)據(jù)，然后對比存儲區(qū)的標準濃度模庫表，即可得到實際的濃度值[5]。

通信模塊采用MAX485，其電路接口簡單，與控制器連接時占用2個管腳(PD0和PD1)。每個測試儀預(yù)留485接口，方便每個房間及整個倉庫構(gòu)成485總線網(wǎng)絡(luò)與上位機通信。當接收到上位機發(fā)送的采集命令時即開始采集；采集完成后將測試儀位置及濃度信息通過485總線上傳至上位機；上傳成功后待機，并回到接收允許狀態(tài)，等待下一次采集命令[6]。

2 軟件部分

系統(tǒng)軟件部分主要采用中斷模式工作，看門狗開啟模式。系統(tǒng)軟件流程簡要說明如下。

系統(tǒng)上電進入測試時先自動進入待機狀態(tài)，串口接收處于激活狀態(tài)，等待上位機采集命令的發(fā)送。當成功接收到遠程上位機發(fā)送的采集命令時，即進入采集子模塊。然后分析采集到的數(shù)據(jù)是否超限，若超限，進入增益通道修改模塊，并自動切換合適的增益。最后把采集到的數(shù)值與濃度藥量自建藥量數(shù)據(jù)庫作對比校準，并把相關(guān)信息上傳給上位機[7-8]。自此完成一次成功接收命令、自動采集、分析處理、上傳有效數(shù)據(jù)的完整過程。

軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

3 安裝點及特殊外殼設(shè)計

考慮對熏蒸時糧庫多點、多層不同位置進行有效的氣體濃度檢測，可以給糧倉熏蒸管理系統(tǒng)提供更加科學有效的檢測數(shù)據(jù)。針對此項需求，對測試點分布及測試終端外形進行了分析設(shè)計。安裝時將5個氣體取樣探頭分別置于糧倉的4個角和中間部位，深度為距糧面1 m、2 m、4 m、5 m、3 m。此外，考慮PH3氣體對金屬類物質(zhì)具有腐蝕性的特點，設(shè)計了如圖7所示的外殼結(jié)構(gòu)。

圖7 外殼結(jié)構(gòu)示意圖

除考慮實現(xiàn)按需采集外，增加了對儀器氣密性、隔離裝置分布、進氣口、插埋尖頭等細節(jié)的處理。這不僅可以防止PH3氣體對電路板的腐蝕，而且滿足傳感器快速充分響應(yīng)、按需采集、延長壽命的要求。設(shè)備安裝后，需經(jīng)現(xiàn)場校準后再使用。

4 實測結(jié)果

實際測量時采用膜下環(huán)流熏蒸，在糧面鋪設(shè)環(huán)流回風管道，使PH3在糧堆內(nèi)均勻分布，減少整倉環(huán)流中易出現(xiàn)的“死角現(xiàn)象”。有效氣體達到基本平衡后，熏蒸28 d后,最低平均濃度與最高平均濃度比為0.82以上，糧堆內(nèi)各點PH3濃度曲線平滑，呈平穩(wěn)下降趨勢。現(xiàn)場24#倉庫安裝投藥后一月內(nèi)實測PH3濃度數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 24#倉庫實測濃度

將實測數(shù)據(jù)與DST- 01D氣體檢測儀檢測結(jié)果相比較，相關(guān)性可達0.98以上。這說明該檢測終端測試數(shù)值準確可靠，滿足系統(tǒng)要求。測試期間系統(tǒng)工作穩(wěn)定，用戶反映良好。

5 結(jié)束語

本文所述檢測終端實時測試數(shù)值準確可靠，配合現(xiàn)有投藥裝置，可科學地控制投藥量，有效地延長傳感器壽命，提高安全系數(shù)，大大降低了生產(chǎn)成本及人工成本。

終端投入使用時可在原有熏蒸及糧情監(jiān)控系統(tǒng)上直接安裝，無需對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)進行大規(guī)模改造。該終端組網(wǎng)簡便，改造成本低，升級擴展靈活，可大大降低現(xiàn)有熏蒸系統(tǒng)維系成本，非常適合應(yīng)用于糧庫的糧情檢測系統(tǒng)。

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